在宇宙大爆炸的三分钟里奠定宇宙的基础

发布时间：83年06月28日

小尾信弥编译范强强

二十世纪四十年代末创立的爆炸学说

一百几十亿年前，我们的宇宙在宇宙大爆炸中诞生了。在宇宙中没有中心，也没有边缘，因此这次大爆炸不是在空间的某一点发生，向压力低的周围扩散的所谓爆炸。具有讽刺意义的是，“宇宙大爆炸”这个名字是倡导稳恒态论，长期与宇宙大爆炸论争论不休的波义尔开始使用的，由于这个名字贴切地表达整个宇宙在凝缩到一点时突然劈裂的概念，因此被人们广泛地使用。

宇宙大爆炸论起源于宇宙膨胀的标准模型，这个模型是弗里德曼提出的，广为人们所接受。

弗里德曼在列宁格勒大学学数学时，他假定宇宙的整个面貌从任何地方看都一样的宇宙原理是正确的，借此解释爱因斯坦的引力场的方程式，于1922年得出这一模型。当时他的论文几乎没人注意，不过在列宁格勒大学听他讲课的学生中，有伽莫夫。弗里德曼的宇宙膨胀论指出，宇宙绝不是静止的，它要么不断膨胀，要么塌缩，或者在不断膨胀后反而塌缩，这强烈地吸引住伽莫夫的心。

另外，美国的哈勃于1929年发现，遥远的银河正在高速后退，并且后退的速度与离开的距离成正比。还有，比利时的鲁梅特尔在弗里德曼的研究基础上，于1927年按照宇宙膨胀模型发表了他的想法，他认为，宇宙最初是从包容所有物质的“宇宙蛋”里破出来的。

鲁梅特尔的这种想法在二十年后被伽莫夫的大爆炸论接受。伽莫夫在他的大爆炸论中虽然想要说明刚大爆炸后的高温，高密度中发生的核反应是从氢到铀的所有元素的起源，但是他终于没能阐明为什么没产生比氦重的元素。到了五十年代，人们知道重元素是演化的星类内部和超新星的爆炸所产生的，于是大爆炸论日暮途穷了。

伽莫尔等人曾陈述，刚大爆炸后充满热宇宙的辐射以后由于膨胀的结果而趋向冷化，今天它还以绝对温度5至50度同样地留在宇宙中。可是，直到彭詹斯和威尔逊在1965年偶尔发现了绝对温度3度的本底黑体辐射为止，人们从未把这种观点当作一个问题看待，几乎把它忘了。

刚大爆炸后的宇宙是热的

看了弗里德曼的方程式马上可以明白，刚大爆炸后的宇宙是热的。假定当时光（辐射）压倒物质，那么大爆炸后t秒时宇宙的温度是

宇宙曾经炎热的直接证据是绝对温度3. 度的本底黑体辐射。黑体辐射是辐射与物质处于热平衡状态下的辐射，各波长领域的能量密度（波谱）不取决于相互作用的物质，只是由它的温度决定。现在的宇宙里同样地充满黑体辐射，这表示宇宙曾经处于热平衡状态。

绝对温度3度的黑体辐射的能量密度最大叶，它的波长约是1毫米，可以说，典型的波长是1毫米。十分粗略地讲，在宇宙中，到处一样地充满了间隔为1毫米的光的量子光子。由于宇宙在膨胀，过去这种间隔比现在小。在宇宙的大小是现在的一半的时候，这种间隔是0.5毫米；当宇宙的大小是现在的千分之一的时候，这种间隔是千分之一毫米（1微米）。

以1微米的间隔充满光子，就是说充满宇宙的黑体辐射是典型的波长为1微米的，红外线，是温度为绝对温度3，000度的黑体辐射。这个温度大约是太阳表面温度的一半，当整个宇宙处于如此高温的时代，当然形成不了银河和星这样的天体，物质全是七零八散的原子，在那里，就像在太阳、星星的表面一样，物质与辐射大致处子热平衡。这大约是大爆炸后一百万年的时候。

膨胀继续进行，宇宙的温度下降，光与物质已不再处于热平衡了。可是辐射的能量密度的分布与黑体辐射的分布相同，只是光子的间隔与宇宙的大小成比例地扩大。也就是说，辐射的波长与宇宙的大小成比例地变长了。黑体辐射的温度由于与典型的波长成反比，因此随着宇宙的膨胀，温度与宇宙的大小成反比地下降，经过一百几十亿年，下降到现在的绝对温度3度。

发生在第一百万年的两件大事

宇宙中充满了过去没有的光和物质，其中物质的粒子占绝少数。现在光子以1毫米的间隔充满宇宙，1立方米约有十亿个（正确地说约是五亿五千万个）。另一方面，所有的天体被七零八散的原子破坏，原子核作为核粒子（质子和中子）到处同样地分散，每1立方米有0.6 ~ 0.06个。相对每一个核粒子有10到100亿个光子（以下姑且按10亿个计算）。

除了刚大爆炸后的1秒钟之内，在宇宙膨胀的过程中，这个比率没有变。不论在宇宙的体积小的过去或今天，核子的能量都没变，可是光子的能量却与宇宙的大小成反比，过去比现在大。现在在能量方面物质占优势的宇宙，过去光占优势。例如，绝对温度3度的光子的能量是0.0006电子伏，10亿个不过60万电子伏，不及1个核子的静止能量（质量×c²）9亿4千万电子伏的千分之一。反而言之，在宇宙的大小不到今天的千分之一以前，光在能量方面占物质的优势。

如前面所述，当宇宙'的大小不到现在的千分之一时，它的温度在绝对温度3，000度以上，处于从过去一直不透明的状态变成透明状态的时期。在温度更高的时代里，宇宙的主要成分氢电离为原子核和电子，电子有效地使光散乱，使它不能自由前进，宇宙就不透明了。然而，当温度下降到数千度时，电子再接合，围着原子核转，光就不再散乱，能自由地前进。于是宇宙变得透明了。

宇宙变得澄清透明，在此前后，物质取代光，成为宇宙的主角。这是大爆炸后约第一百万年的事。

3分钟以后产生氦

在大爆炸的一秒钟后开始的一百万年是光的时代。在这个时代里发生的最大事件是大爆炸后3分钟形成氦。大爆炸后1秒钟光的时代开幕时，温度是绝对温度100亿度，是现在的30亿倍。宇宙的大小是现在的三十亿分之一。

现在光的质量密度是物质（每立方厘米10^-30克）的约千分之一，每1立方厘米10^-23克。在大小是现在的三十亿分之一的宇宙中，1个光子的能量是现在的三十亿倍，光子的间隔（波长）是现在的三十亿分之一，因此1立方厘米中的光子数量是三十亿的三次方之多，结果光子的能量（质量）密度是现在的30亿的四次方倍，即10³³倍。现在1立方厘米是10^-33克，因此在大爆炸后1秒钟时，每立方厘米大概是10万克了。相比之下，当时物质的密度，即1立方厘米中的个数仅是现在的30亿的三次方倍，即3×10²⁸倍，每1立方厘米约是0.03克。物质是质子和中子、电子和正电子、中微子和反中微子。

在十亿度的高温下，质子和中子无法结合产生原子核。可是，在大爆炸后约3分钟，温度下降到10亿度以下，这使质子和中子能结合起来，产生重氢，重氢再和中子反应，产生氚，氚再捕获质子，产生氦。今天的宇宙的基础就这样奠定了。

在大爆炸后1秒钟，质子和中子的数量大致相同，由于核子与是它10亿多倍的电子、正电子等发生冲突，质子与中子相互迅速地变化。可是，在迅速的膨胀冷却中，核子与电子、正电子的有效冲突的机会减少了。中子由于比质子稍重（即能量高），它的比率逐渐减少，质子增加了。

这样，在3分钟之后，质子与中子的比率是6比1。也可以说是12比2，氦的原子核含质子和中子各两个，相对每1个氦就有10个质子（氢核）剩下。现在的宇宙中，不管银河内外都能见到大致是这一比率的氦。在无数星球的中心，氢正在变成氦，而一百几十亿年间产生的氦，不过是氢的十分之一。宇宙显然地现存过于大量的氦和绝对温度3度的本底辐射，都是刚大爆炸之后宇宙炎热的重大证据。

极少数的重氢没变成氦，生存下来了。在今天的宇宙中，相对约3万个氢有1个重氢。在以后的宇宙中，这种不稳定的原子核会遭受破坏，可是几乎没有机会产生。因此，现存的重氢是在大爆炸3分钟以后产生的。只是没变成氦而生存下来的那部分重氢对宇宙的密度非常敏感，假如宇宙是闭合式的，因而密度很大（假如果真如此，那么现在的宇宙中，1立方米里应该有3个以上的核子。可是事实上，正如前面所述，只有0.6 ~ 0.06个），重氢就几乎无法生存下来了。

轻子时代和强子时代

从大爆炸刚结束到光的时代开始之间不到1秒钟，但它却是光辉灿烂，瞬息万变的物质时代。1秒钟后的温度是绝对温度100亿度，那时典型的光子的能量是100万电子伏，相当于电子的静止能量（50万电子伏）和正电子的静止能量之和。因此，电子 · 正电子对一旦湮灭，就产生这一温度的光子，在辐射中，又产生电子 · 正电子对。

在大爆炸后1秒钟之内的宇宙中，就这样电子对不断地产生和破坏，电子对、光子、中微子相互输送和赛取能量，处于热平衡状态，三方面数量都相同。

在此之前，即大爆炸后的0.0001秒，温度是绝对温度1兆度，这时重量为电子的约200倍的μ粒子、μ型中微子和它们的反粒子等与光子等处于热平衡。μ粒子、电子、中微子和它们的反粒子都是轻（或无质量的）粒子，统称“轻子”，因此，这个时代可以称为轻子时代。

在这个时代里，具有高能的中微子和反中微子相互起作用。在此以后，它们自由彷徨，不与宇宙间的任何物质发生作用，一直到今天还是这样。在整个宇宙，直至各个角落，本底中微子像光子一样，1立方厘米约有10亿个，假如我们能发现它们，可以说我们能看到大爆炸后1秒钟以内的宇宙。

质子、中子这种在今天的宇宙中充当主角的粒子是在宇宙比轻子时代更热更小的时候产生的。这些粒子比轻子重，按照希腊语“强”的意义，被称为“强子”。与只会产生弱力（例如中子使正电子、电子、反中微子发生破坏性的β蜕变的力）的轻子不同，这些粒子不但会产生弱力、电磁力，还会产生强力。人们很熟悉的强子是核子（质子和中子），它的重量是电子的1840倍，实际的能量约是10亿电子伏。在不超过绝对温度10兆度的情况下，光子的能量没那么大。这是大爆炸后一百万分之一秒内的事。

产生不对称，自我提问的宇宙

在强子时代，核子和反核子对不断地湮灭，产生，与光子处于热平衡，双方以相同的数量充满宇宙。在大爆炸后一百万分之一秒，强子时代临近告终，光子的能量减少，粒子 · 反粒子对不怎么产生，只是成对地湮灭。也就是说，这时核子和反核子几乎湮灭殆尽。分量轻的π介子留存得稍久些，可是在轻子时代它们也几乎湮灭了。

如果大爆炸后的宇宙含有相同数量的物质和反物质，那么所有的核子和反核子都要湮灭，今天的宇宙里除光子和中微子外一无所剩。包括我们自身在内的今天物质的宇宙之所以存在，是因为物质比反物质稍多。在今天的宇宙中，相对每一个核子约有十亿个光子，因此核子与反核子的差是10亿分之一。

也就是说，相对每十亿零一个核子，有十亿个反核子，十亿个核子和反核子湮灭了，成为光子，一个核子生存下来。大爆炸后洒落的这些核子产生今天的宇宙，其余的全部变成光子，成为绝对温度3度的本底辐射。物质和反物质为什么存在如此微小的不对称，这是宇宙理论上的一个大谜。

最近，在基本粒子物理学的领域内，有人着手研究这个谜。根据他们提出的包括强力的大统一理论，感受强力的粒子（即下面讲的夸克）和感受弱力的轻子曾经相互变化。这个理论进一步推进了成功地统一“弱力”和“电磁力”的温伯格的理论。这是在宇宙是1厘米以下（今天的宇宙的10²⁸分之1），温度是绝对温度3×10²⁸度以上时发生的，当温度比这低时，强力就分化了（再下降到绝对温度1千兆度时，弱力和电磁力也分化了）。于是，在不到1厘米的宇宙中产生的重粒子在不完全对称的情况下蜕变，在物质和反物质的存在上产生极小的不对称。

这样考虑起来，在宇宙中，实际上也许有许多宇宙。某个宇宙核子与反核子对称，某个宇宙核子与反核子稍不符合，或很不符合。在完全对称的宇宙中，由于不存在物质，生命也产生不了，因此宇宙甚至不能问自己存在与否。只有恰当地不符合的宇宙，才像我们的宇宙那样，演化为能考虑宇宙这样那样问题的自我提问的宇宙。

夸克时代以前的量子宇宙

电子、中微子等轻子种类少，内部结构也看不见，而质子、中子等强子却通过高能实验逐渐看到几百种，现在人们按称为夸克的几种基本粒子分类整理它们（至少现在如此）。

在强子时代的初期，像核子这样的强子充满宇宙，以致相互重叠，关闭在各强子里的夸克也相互摩擦。因此，也许强子溶化，连续成对湮灭和产生的自由夸克与轻子、光子等没构造的粒子处于热平衡，充满了宇宙。

由于夸克的数量很大，因此，假如它们可能没关闭在强子之内而存在，并一直生存至今，那么计算起来，现在相对每十亿个氢约有一个夸克（与金原子的比率相同）。可是在地球的岩石中，海水里，连1个自由的夸克也见不到，这也许是无法得到自由的夸克的缘故等，也许是在刚大爆炸后没有高到使强子溶化的温度。

正如我们至今看到的那样，在极短的强子时代之前有过夸克时代。在这个时代里，没有构造的粒子过于密集，没有产生像强子这样有构造的粒子。

更接近大爆炸，就触及整个宇宙到地平线为止只有核子一样大小（10^-13厘米）的时代，这时，离大爆炸的时间用光速分割，是10^-23秒，温度是绝对温度10²²度，密度是水的10⁵⁵倍。在此之前，可以观察的整个宇宙比核子更小，也许不存在像强子这样有构造的粒子了。